Надо Знать

добавить знаний



Франций



План:


Введение

Франций - 87-й элемент периодической таблицы. Чрезвычайно активный и радиоактивный, занимает 2-е место по уникальностью среди элементов найденных в природе (первое астат). Символ - Fr.


1. История открытия

Открытый Маргарет Пере. Открытия элемента № 87 (а именно под этим номером значится франций в таблице элементов) химики всего мира ждали долго - практически семь десятилетий. Дело в том, что многие ячеек периодической таблицы элементов долго остались пустыми, хотя их физические и химические свойства были предусмотренными заранее.

В 1875 году были открыты галлий (Менделеев называл его эка-алюминием, справедливо полагая, что по свойствам он будет похож на своего соседа сверху в таблице элементов), в 1879 году - скандий (эка-бор), а в 1886 году - германий (эка-кремний).

В статье "Естественная система элементов и применение ее к указанию свойств неоткрытых элементов", опубликованной в 1871 году, Менделеев писал: "Потом в десятом ряду можно ждать еще основных элементов, относящихся к I, II и III групп. Первый из них должен образовывать оксид R 2 O, второй - RO, а третий - R 2 O 3, первый будет сходен с цезием, второй - с барием, а все их окиси должны обладать, конечно, характером самых энергичных оснований ".

Шли годы, науке становились известны все новые и новые элементы, но клетка с номером 87, забронирована за эка-цезием, продолжала пустовать, несмотря на многочисленные попытки ученых ряда стран разыскать ее законного владельца. И хотя ему удавалось ускользнуть от пытливого взора исследователей, многие его свойств, обусловленных "географическим положением" в периодической системе, уже были известны науке.

Так, не вызывало сомнений, что элемент № 87 должен быть надежным хранителем щелочных "традиций", что крепнут от лития к цезию. Этим обусловливалась прежде всего его высокая реакционная способность (выше, чем у цезия), в связи с чем он мог присутствовать в природе лишь в виде солей, обладающих большей растворимостью, чем во всех других солей щелочных металлов. Поскольку от лития в цезия снижалась температура плавления (от 180,5 до 28,5 ? С), резонно было думать, что эка-цезий в обычных условиях должен подобно ртути находиться в жидком состоянии. Для щелочных металлов (кроме лития) характерна еще одна закономерность: чем больше массовое число элемента (т.е. чем ниже он расположен в периодической таблице), тем меньше его находится в земной коре. Если учесть, что уже на долю цезия в природе приходится совсем немного атомов, то расположенный под ним элемент № 87 мог и вовсе оказаться редчайшим из редких. Наконец, радиоактивные "наклонности" его соседей справа - открытых в конце XIX века радия и актиния - позволяли утверждать, что и эка-цезий должен иметь радиоактивность.

Властивості елемента № 87 визначили два основних напрямки пошуку: одні вчені розраховували знайти його в мінералах лужних металів або в багатих ними водах мінеральних джерел і морів; інші воліли вести розшук на радіоактивних тропах, сподіваючись знайти ека-цезій серед продуктів розпаду сусідніх із ним елементів.

У 1913 році англійський радіохімік Дж. Кренстон повідомив, що він помітив у одного з изотопов актинію слабке альфа-випромінювання (поряд з характерним для цього ізотопу бета-випромінюванням). Учений припускав, що при цьому може утворитися ізотоп елементу № 87. Через рік подібні результати були отримані австрійськими радіохіміками Мейером, Гессом і Панетом, що знайшли при дослідах з ізотопом актинію "незвані" альфа-частинки. "Ці частки утворяться при альфа-розпаді звичайно бета-активного 227Ас, ? писали вони, ? ...продуктом розпаду повинен бути ізотоп елементу № 87". Але припущення ? ще не науковий факт, тим більше, що для сумнівів було чимало основ: по-перше, помічене альфа-випромінювання було настільки слабким, що не виходило за межі можливих погрішностей експерименту: по-друге, досліджуваний препарат актинію цілком міг містити домішки, "проживаючого" поруч протактинію, що здатний випромінювати альфа-частинки і тому міг легко ввести вчених в оману. Хоча ці дослідники, як з'ясувалося пізніше, знаходилися на правильному шляху, до відкриття елементу № 87 було ще далеко ? цієї події залишалося чекати рівно чверть століття...

У 1925 році англієць І. Фріенд вирішив відправитися в Палестину, щоб вивчити води Мертвого моря, багаті лужними металами. "Уже кілька років назад, ? писав він, ? мені спало на думку, що якщо ека-цезій здатний до постійного існування, то його можна буде знайти в Мертвому морі". Ідея ця не позбавлена була змісту, але скільки не намагався вчений знайти рентгеноспектральним аналізом хоча б сліди елементу № 87, бажаних результатів він так і не домігся.

За допомогою спектроскопу намагалися виявити невловимий елемент і багато інших дослідників; адже саме він допоміг відкрити рубідій і цезій ? найближчих родичів елемента № 87 в лужному сімействі. Не тільки концентрати морських солей, але і крупиці найрідших мінералів, зола грибів і попіл сигар, спалений цукор і кістки викопних тварин ? здавалося б, усі потенційні власники атомів ека-цезію з'являлися перед об'єктивом спектроскопу, але прилад знову й знову засмучував експериментаторів.

Однако у ученых, что искали эка-цезий, было не только огорчения, но и радость, часто, правда, преждевременные: некоторые их "открытия", ярко вспыхнув сначала, при проверке оказывались ложными и поэтому быстро "закрывались". Так, в 1926 году в прессе появилось сообщение английских химиков Дж. Дрюса и Ф. Лоринга о том, что они якобы наблюдали линии 87-го элемента на рентгенограммах сульфата марганца и дали ему название алкалиновые. Через три года американский физик Ф. Аллисон опубликовал данные своих магнитооптических исследований, позволивших ему, как он думал, найти следы искомого элемента в редких минералах щелочных металлов - самарскита, поллуцита и лепидолите. В честь своего родного штата ученый предлагал назвать 87-й Виргиния. В 1931 году его соотечественникам Дж. Пепишу и Е. Вайнеру вроде бы удалось спектроскопическим методом подтвердить наличие линий Виргинии в самарскити, но вскоре выяснилось, что причиной появления незнакомых линий был дефект кальцитовыми кристалла, установленного в спектроскоп, которым пользовались ученые.

В 1937 году румынский химик Г. Хулубей заявил, что эка-цезий найден им в поллуцита, и предложил именовать новый элемент Молдавии. Но ни алкалинию, ни Виргинию, ни Молдавия не пришлось занять вакантную ячейку в левом нижнем углу периодической таблицы. Продолжали поиски и сторонники радиоактивного направлении. Еще в 1925 году одесский химик Д. Добросердов высказал на страницах "Украинского химического журнала" понимание о физических и химических свойствах эка-цезия, подчеркнув, в частности, что он "непременно должен быть весьма радиоактивным элементом". Но ученый при этом ошибочно предположил, что радиоактивность калия и рубидия обусловлена ​​примесями 87-го элемента, который он предлагал назвать Руссия, если честь открытия выпадет на долю ученых-россиян.

Годом позже интересные результаты удалось получить известным радиохимиками О. Гану (Германия) и Д. Хевеши (Венгрия). Тщательное исследование радиоактивных рядов некоторых изотопов актиния показало, что при альфа-распаде одного из них образуется изотоп эка-цезия, правда, из каждого миллиона атомов исходного вещества можно получить лишь несколько атомов 87-го элемента.

Такова была ситуация в науке до 1938 года, когда в поиски эка-цезия включилась Маргарет Пере - сотрудница парижского Института радия, ученица Марии Склодовской-Кюри. Прежде Пере решила повторить уже в то время древние эксперименты Мейера, Гесса и Панета. Недаром говорят, что часто в науке "новое - это хорошо забытое старое". Подтверждением этого может служить история открытия элемента № 87.

Проделав опыты, Пере, подобно своим предшественникам, нашла присутствие тех же альфа-частиц. Необходимо было доказать, что их источником являются не примеси протактиния, а актиний. Проведя поистине ювелирное очистки актиния от всех возможных примесей и "дочерних продуктов" (т.е. продуктов его радиоактивного распада), а затем Исследовав полученный чистый препарат актиния, Пере выяснила, что изотоп этого элемента с массовым числом 227 имеет "радиоактивную вилку", или , иначе говоря, способен распадаться в двух направлениях - с излучением бета-и альфа-частиц. Правда, "зубы" у этой вилки оказались далеко не одинаковыми: лишь в 12 случаях из тысячи ядра актиния выпускали альфа-частицы, во всех же остальных случаях они излучали бета-частицы (т.е. электроны), превращаясь в ядра изотопа тория.

Расчет показывал, что, выбросив альфа-частицу (т.е. ядро ​​гелия), ядро ​​изотопа актиния "худели" ровно настолько, чтобы стать не чем иным, как ядром изотопа 87-го элемента. Действительно, в результате опытов появлялся продукт распада актиния со свойствами тяжелого щелочного радиоактивного металла. Это и был никогда ранее не наблюдался в природе долгожданный эка-цезий, точнее, его изотоп с массовым числом 223. Так в 1939 году был открыт один из последних доуранових элементов. В честь своей родины Пере назвала его Франция.


2. Происхождение названия

Франций от фр. France - Родины першовидкривича (Маргарет Пере). А именно в Париже, где она в институте радия открыла франций.

3. Получение

Франций-223 долгое время был единственным изотопом, который применялся в опытах по изучению химических свойств элемента № 87. Поэтому естественно, что химики искали методы ускоренного выделения его из 227Ас. В 1953 году М. Перри и известный французский радиохимик Ж. Адлов разработали экспресс-метод выделения этого изотопа с помощью бумажной хроматографии.

По этому методу раствор 227Ас, содержащий 223Fr, наносится на конец бумажной ленты погружается в специальный раствор. При движении раствора бумажной лентой происходит распределение на ней радиоэлементов. 223Fr, как щелочной металл, движется с фронтом растворителя и откладывается после других элементов. Позже Адлов предложил использовать для выделения 223Fr сложную органическое соединение -тенойлтрифторацетон (TTA). Описанным методом по 10-40 минут удается выделить чистый препарат франция-223. Через малый период полураспада работать с этим препаратом можно не более двух часов, после чего образуется заметное количество дочерних продуктов и нужно или очищать франций от них, или выделять его заново.

С развитием техники ускорения ионов и созданием циклотронов были разработаны новые методы получения франция. При облучении ториевых или урановых мишеней протонами высоких энергий образуются изотопы франция. Наиболее устойчивым из них оказался франций-212 с периодом полураспада 19,3 минуты. За 15 минут облучения 1 г урана пучком протонов с энергией 660 МэВ на синхроциклотрони Лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований в Дубне образуется 5 ∙ 10-13 г франция-212 с активностью 2,5 ∙ 107 распадов в минуту.

Выделение франция из облученных мишеней - процесс достаточно сложный. За очень короткое время его нужно выделить из смеси, содержащей почти все элементы периодической системы. Несколько методик выделения франция из облученного урана разработан советскими радиохимиками А. К. Лаврухина, А. А. Поздняков и С. С. Родиным, а из облученного тория - американским радиохимиками Е. Хайдом. Выделение франция основано на осаждении его с нерастворимыми солями (перхлоратом или кремневольфраматом цезия) или со свободной кремневольфрамовою кислотой. Время выделения франция этими методами составляет 25-30 минут. Еще один способ получения франция основан на реакциях, происходящих при облучении мишеней из свинца, таллием или золота многозарядными ионами бора, углерода или неона, ускоренными на циклотронах или линейных ускорителях. Пригодны такие пары "мишень + снаряд": Pb + B; Tl + C; Au + Ne. Например, франций-212 образуется при облучении золотой фольги ионами неона-22 с энергии 140 МэВ: 79Au197 + 10Ne22 = 89Ac219 = 87Fr 212 + 2He4 + 30n1

Как же осуществляются "алхимические" процессы XX века? Тончайшую золотую фольгу (толщиной всего несколько микрон), помещенную в кассету, облучают ускоренными ионами неона - происходит ядерная реакция, в результате чего образуется изотоп франция с массовым числом 212. После получасовой "артподготовки" кассету с фольгой доставляют в лабораторию, где в защитной шкафу с помощью манипулятора облученное золото извлекают из кассеты. Внешне фольга выглядит так же, как и до опыта; действительности же она содержит десятки тысяч атомов франция. Откровенно говоря, совсем не густо, но современным ученым зачастую приходится иметь дело буквально с несколькими атомами вещества. Так, элемент № 101 (впоследствии названный менделевием) был открыт американскими учеными, когда у них "в руках" побывало всьго 17 атомов, и то не одновременно, а в результате примерно дюжины экспериментов (по 1-2 в каждом). Так что десятки тысяч атомов - это целый клад.

Итак, франций получен, но работа с ним только начинается: его надо извлечь из золота и очистить от всех других осколков распада атомных ядер, а потом подвергнуть детальному исследованию. Все это надо проделать поистине с "космической" скоростью, поскольку период полураспада изотопа франция, получаемый при "обстреле" золота, лишь 19 минут.

Сначала фольгу растворяют в "царской водке" и с помощью специальных "золотоуловлювачив" удаляют весь драгоценный (но вовсе лишний в данной ситуации) металл. Теперь нужно убедиться, что эта операция прошла успешно: электронные приборы, в основе работы которых лежит метод меченых атомов, категорически "заявляют", что в растворе нет ни одного атома золота. Но все еще не удалены другие примеси. Если они останутся, то исследовать франций бессмысленно, потому что картина может быть искажена и ученые получат ложную информацию. А отпущенное время неумолимо сокращается. Лишенный золота раствор несколько раз прогоняют через колонку, которая заполнена веществом, жадно поглощает все лишние продукты ядерных реакций и пропускает только франций. И вот наконец очистки закончено. Капельку раствора помещают в углубление на тефлоновой пластинке и облучают мощным потоком инфракрасных лучей. Через несколько секунд от капли ничего не остается. Но испарился только раствор, а атомы франция должны "лежать" на пластинке. Чтобы убедиться в этом, ее вставляют в камеру чувствительного прибора, где создается вакуум, и крохотная неоновая лампочка сигнализирует о том, что франций есть. Но почему горит лишь одна из многих лампочек? Это означает, что франций чист. Если бы к нему присоединились посторонние атомы, то загорелись бы и другие лампочки. Но, к счастью, ненужной иллюминации нет - можно приступать к химическому исследованию франция. А на эту завершающую и, пожалуй, самую стадию эксперимента отведены считанные минуты, иначе от франция останутся лишь воспоминания. Не случайно ученые в шутку называют такие опыты "химией на бегу".

Наиболее удобная и быстрая методика выделения изотопов франция из облученного золота разработана советскими радиохимиками Н. Мальцевой и М. Шалаевським. Франций экстрагируют нитробензола в присутствии тетрафенилборату из колонки, заполненного силикагелем, соответствующая ядерная реакция :

197Au + 18O → 210Fr + 5n

С помощью всех этих методов получено 18 изотопов франция с массовыми числами от 203 до 213 и от 218 до 224.

За годы, прошедшие со времени открытия франция, проделано множество опытов, выполнены сотни расчетов. Сегодня науке известны основные физические и химические свойства этого элемента. Его плотность 1,87 г/см3, температура кипения примерно 670 ? С, а вот в отношении точки плавления франция у ученых нет единой точки зрения. Дело в том, что измерить эту температуру пока не удается, поскольку наука не в состоянии синтезировать франций в весовых количествах иначе говоря, было бы что плавить, тогда было бы и измерять. Правда, сегодня радиохимики умеют работать и с так называемыми субмикроскопических количествами вещества (так, масса впервые полученного в металлическом состоянии берклия составляла всьго пяти миллионных долей грамма). Но и тогда результаты определения температуры плавления франция нельзя было бы считать точными, так как чем меньше размер частиц вещества, тем ниже точка его плавления (например, частицы золота размером 0,01 микрона плавятся не при 1063 ? С, как собственно золоту, а лишь при 887 ? С). Поэтому искомую характеристику франция ученые получают лишь теоретически - путем сопоставления свойств других щелочных металлов, выяснения существующего между ними взаимосвязи и экстраполяции, т.е. продолжение установленной графической зависимости в область, для которой нет экспериментальных данных. Но этот путь не дает столь точных результатов, как современные способы измерения температуры. Отсюда и разногласия, которые зависят от того, какие теоретические предпосылки положены в основу расчета.


4. Химические свойства

Теоретически франций должен быть практически полным химическим аналогом своих ближайших соседей в группе щелочных металлов - цезия и рубидия. В частности, его степень окисления в соединениях всегда составлять +1, а сам элемент в металлическом состоянии должен быть активным из всех металлов. Все опыты по изучению химических свойств франция проводились, конечно, с ультрамалых количествами этого элемента. В растворах было лишь 10-13 - 10-9 г франция. При таких концентрациях могут стать важными процессы, о которых мы обычно забываем, имея дело с макрокилькостямы вещества. Например, в этих условиях радиоактивный изотоп может "потеряться" из раствора, адсорбувавшись на стенках сосудов, на поверхности осадков, на возможных примесях ... Поэтому, казалось бы, изучая свойства франция, следует оперировать более концентрированными растворами. Но в этом случае возникают новые трудности из-за процессов радиолиза и ионизации.

И все же, несмотря на все трудности, получены некоторые достоверные данные о химических свойствах франция. Наиболее полно изучено осаждения франция с различными нерастворимыми соединениями. Он выпадает из раствора вместе с хлороплатината цезия и рубидия Cs2PtCl6 и Rb2PtCl6, хлоровисмутатом Cs2BiCl6, хлоростаннатом Cs2SnCl6 и хлороантимонатом цезия Cs2SbCl6 ∙ 2,5 H2O, а также свободными гетерополикислот - кремневольфрамовою и фосфорновольфрамовою. Франций легко адсорбируется на йонообминних смолах (сульфокатионитах) из нейтральных и слабокислых растворов. С помощью этих смол легко отделить франций от большинства химических элементов. Вот, пожалуй, и все успехи.


5. Использование

Конечно, говорить о хоть какое-то практическое применение в технике и производстве вещества, продолжительность "жизни" которой составляет около 22 мин, не приходится, однако определенные задачи в науке франций уже выполняет.

Изотоп 223Fr находит ограниченное применение - для определения 227Ac за β-излучением дочернего 223Fr, а также для исследования миграции ионов тяжелых щелочных металлов в биологических объектах.

Характерное для франция излучение позволяет, например, быстро определить, есть ли в тех или иных природных объектах его "прародитель" актиний. Для медицины несомненный интерес представляет способность франция накапливаться в опухолевых тканях, причем (что особенно важно) даже на начальных стадиях заболевания. Благодаря этому элемент можно использовать для ранней диагностики саркомы, для этого используют хлорид франция (FrCl). Такие опыты уже успешно проведены на крысах. Будущее несомненно раскроет и другие "способности" франция,


6. Смотри также

Литература

  • Глоссарий терминов по химии / / Й.Опейда, О.Швайка. Ин-т физико-органической химии и углехимии им .. Л.М.Литвиненка НАН Украины, Донецкий национальный университет - Донецк: "Вебер", 2008. - 758 с. ISBN 978-966-335-206-0
  • Горный энциклопедический словарь: в 3 т. / Под ред. В. С. Белецкого. - Донецк: Восточный издательский дом, 2001-2004. ISBN 966-7804-19-4


код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам